CN109540371B - 一种压力传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种压力传感器及其制造方法，制造方法包括：在第一基片的正面形成压阻结构；在第二基片的正面形成第一凹陷部；所述第一基片的正面与所述第二基片的正面键合，其中，所述第一基片与所述第二凹陷部围合成腔体；以及从所述第一基片的背面减薄所述第一基片。根据本申请，无需对第一基片的正面和背面之间进行双面对准，降低了工艺难度。

Description

一种压力传感器及其制造方法

技术领域

本申请涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种压力传感器及其制造方法。

背景技术

微型压力传感器是最早采用半导体制程技术所开发制作并产业化的经典案例，其被应用于工业油压监控系统、汽车进气阀门压力监控、车辆胎压系统、医学用呼吸器及血压计监控、白色家电的空调压力感测及近期大量使用于消费性电子产品，如无人机上的高度控制及手机应用等等多种应用场景。

压力传感技术至今仍多实行压阻感测原理，外部压力变化作用于感测薄膜之上时，薄膜将产生形变，进而导致阻值的变化，通过外部给予定电流或是定电压输入，以及桥式电路，将可撷取出具线性的仿真讯号输出。目前大宗选用的材料以金属或是硅材料为主，其原因在于这些材料具有较大的应变计因子，以及基于晶格方向性的设计考虑。另一种常见的感测方式为容式感测，藉由两片平行电容板，其中一边为固定端电容板，另一边感测薄膜为另一端的电容板，当外部压力变化作用于感测薄膜之上时，薄膜产生的形变使得电容板之间的电荷量产生变化，来进行电荷与电压的转化，达成电容感测方式。前者感测方式相较于后者具有较好的线性度、制程整合简单且后端电路设计简单且完善等优势，但功耗大、对温度变化敏感与全量程范围小。

基于压阻原理的压力传感器主要分为绝对压力传感器与差别压力传感器两种形式，前者具有封闭的真空腔体，而后者的腔体不封闭，薄膜可受双边压力差来产生形变。

基于压阻原理的压力传感器一般制造工艺为：第一个硅基材正面先制作出薄膜结构，在薄膜结构的至少边缘通过注入形成压阻结构，再经由背向刻蚀方式定义出腔体，接下来依照应用需求，如果制造绝对压力传感器，可将第二个基材与第一个硅基材键合，形成封闭的真空腔体，如果制造差别压力传感器，则无需此键合步骤。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

发明内容

在现有技术制造基于压阻原理的压力传感器的过程中，在第一硅基材的正面形成压阻结构，在第一硅基材的背面进行背向刻蚀以定义出腔体，压阻结构需要至少位于腔体的边缘，由此，在进行背向刻蚀时需要在第一硅基材的正面和背面之间进行双面对准，对准的难度较大，工艺复杂度较高。

本申请提供一种压力传感器及其制造方法，在第一基片的正面形成压阻结构，将第二基片的形成有凹陷部的一面与第一基片的正面键合，并从第一基片的背面减薄第一基片以形成压力传感器的薄膜，由此，无需对第一基片的正面和背面之间进行双面对准，降低了工艺难度。

根据本申请实施例的一个方面，提供一种压力传感器的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括：

在第一基片的正面形成压阻结构；

在第二基片的正面形成第一凹陷部；

所述第一基片的正面与所述第二基片的正面键合，其中，所述第一基片与所述第二凹陷部围合成腔体；以及

从所述第一基片的背面减薄所述第一基片。

根据本申请实施例的另一个方面，所述制造方法还包括：

在将所述第一基片的正面与所述第二基片的正面键合之前，在所述第一基片的正面形成集成电路；

形成覆盖所述压阻结构、所述集成电路和所述第一基片的正面的第一绝缘层，以形成包括所述第一绝缘层和所述第一基片的层叠结构。

根据本申请实施例的另一个方面，所述制造方法还包括：

在所述层叠结构中形成第二凹陷部，所述压阻结构至少位于所述第二凹陷部的边缘。

根据本申请实施例的另一个方面，所述第二凹陷部的数量为2个以上，且各第二凹陷部的深度彼此相同或不同。

根据本申请实施例的另一个方面，所述制造方法还包括：

在减薄的第一基片的背面形成引线开孔。

根据本申请实施例的另一个方面，所述制造方法还包括：

在所述第二基片的背面形成贯穿所述第二基片并与所述腔体连通的开孔。

根据本申请实施例的另一个方面，所述第一基片是绝缘体上的硅(SOI)晶圆，所述第一基片的正面为所述绝缘体上的硅(SOI)晶圆的顶层硅(top-silicon)表面，其中，从所述第一基片的背面减薄所述第一基片的步骤包括：

去除所述绝缘体上的硅(SOI)晶圆的衬底硅(substrate)。

根据本申请实施例的另一个方面，提供一种压力传感器，其特征在于，所述压力传感器包括：

形成在第一基片薄膜正面的压阻结构；

形成在第二基片的正面的第一凹陷部；

所述第一基片薄膜与所述第一凹陷部围合成的腔体，其中，所述第一基片薄膜的正面与所述第二基片的正面键合而连结。

本申请的有益效果在于：无需对第一基片的正面和背面之间进行双面对准，降低了工艺难度。

参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本申请的实施方式包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

所包括的附图用来提供对本申请实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本申请的实施方式，并与文字描述一起来阐释本申请的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1是本申请实施例的压力传感器的制造方法的一个示意图；

图2-图11是本申请实施例的一个实例中压力传感器的制造方法的各步骤对应的结构示意图；

图12是本申请实施例中制造压力传感器的工艺流程的一个示例。

具体实施方式

参照附图，通过下面的说明书，本申请的前述以及其它特征将变得明显。在说明书和附图中，具体公开了本申请的特定实施方式，其表明了其中可以采用本申请的原则的部分实施方式，应了解的是，本申请不限于所描述的实施方式，相反，本申请包括落入所附权利要求的范围内的全部修改、变型以及等同物。

实施例1

本申请实施例1提供一种半导体器件，图1是本实施例的压力传感器的制造方法的一个示意图。

如图1所示，该压力传感器的制造方法包括：

步骤101、在第一基片的正面形成压阻结构；

步骤102、在第二基片的正面形成第一凹陷部；

步骤103、第一基片的正面与第二基片的正面键合，其中，所述第一基片与所述第二凹陷部围合成腔体；以及

步骤104、从所述第一基片的背面减薄所述第一基片。

在本实施例中，在第一基片的正面形成压阻结构，将第二基片的形成有第一凹陷部的一面与第一基片的正面键合，并从第一基片的背面减薄第一基片以形成压力传感器的薄膜，由此，与现有技术中采用双面对准的方式从背面刻蚀第一基片以形成压力传感器薄膜的方案相比，本实施例无需对第一基片的正面和背面之间进行双面对准，降低了工艺难度。

在本申请中，第一基片可以是半导体制造领域中常用的具有压阻特性的材料，例如硅晶圆、绝缘体上的硅(Silicon-On-Insulator，SOI)晶圆、锗硅晶圆、锗晶圆、玻璃晶(Quartz)或氮化镓(Gallium Nitride，GaN)晶圆等。

在本申请中，第二基片可以是半导体制造领域中常用的衬底材料，例如硅晶圆、绝缘体上的硅(Silicon-On-Insulator，SOI)晶圆、锗硅晶圆、锗晶圆、玻璃(Quartz)板或石英板等。

在本实施例的步骤101中，在第一基片的正面形成压阻结构的方法例如可以是：在第一基片的正面形成压阻结构的掩模，对第一基片的正面进行离子注入，以形成压阻结构。此外，本实施例可以不限于此，也可以采用其他的方式形成压阻结构。

在本实施例的步骤102中，可以通过干法刻蚀或湿法刻蚀的方式在第二基片的正面形成第一凹陷部。

在本实施例的步骤103中，第一基片的正面与第二基片的正面键合，第一基片与所述第二凹陷部围合成腔体。该键合步骤可以在真空环境下进行，由此，腔体内是真空，从而能够形成绝对压力传感器。此外，在无需形成绝对压力传感器的情况下，也可以不在真空环境下进行键合。

在步骤103中，可以进行对准键合，以使第一基片正面的压阻结构位于第二基片的正面的第一凹陷部周围。在进行对准键合时所进行的对准的难度低于双面对准的难度，因此，工艺难度低于现有技术。

在步骤104中，可以从第一基片的背面减薄该第一基片，从而使第一基片成为薄膜，该薄膜的位于腔体的部分在压力作用下变形以引起压阻结构的电阻变化。

在本实施例中，压阻结构可以有至少一组，例如两组以上，分布在第一基片的正面的不同位置，与之对应地，第一凹陷部也可以有至少一组，例如两组以上，分布在第二基片的正面的不同位置。

在本实施例中，如图1所示，该方法还可以包括：

步骤105、在步骤103之前，在第一基片的正面形成集成电路；

步骤106、形成覆盖压阻结构、集成电路和第一基片的正面的第一绝缘层，以形成包括该第一绝缘层和第一基片的层叠结构。

由此，可以将集成电路与压力传感器的感测结构集成在同一个基片上，提高集成度，其中，该集成电路例如可以是对压力传感器的感测信号进行处理和输出的电路。

在本实施例中，第一绝缘层可以对该集成电路和压阻结构进行保护。

在本实施例中，如图1所示，该方法还可以包括：

步骤107、在该层叠结构中形成第二凹陷部，所述压阻结构至少位于所述第二凹陷部的边缘。

在步骤107中，可以从第一绝缘层的表面对该层叠结构进行刻蚀，从而形成第二凹陷部，该第二凹陷部可以与第一凹陷部的位置对应，从而在步骤103中第二凹陷部与第一凹陷部可以连通。

在本实施例中，第二凹陷部可以通过刻蚀第一绝缘层的部分厚度或全部厚度来形成，也可以通过刻刻蚀第一绝缘层的全部厚度以及第一基片的一部分厚度来形成。

在本实施例中，压阻结构至少位于第二凹陷部的边缘，由此，在对第一基片进行减薄之后，与第二凹陷部位置对应的薄膜可以在压力下发生变形。

在本实施例中，第二凹陷部的数量可以是至少一个，例如两个以上，并且，各个第二凹陷部的深度可以相同或不同，其中，第二凹陷部的深度不同，可以使得与各第二凹陷部位置对应的薄膜的厚度不同，从而使与各第二凹陷部位置对应的感测结构的感测量程和灵敏度不同。

此外，在没有设置第一绝缘层的情况下，也可以仅对第一基片的正面的进行刻蚀，以控制各感测结构对应的薄膜的厚度，从而获得相应的量程和灵敏度。

在本实施例中，如图1所示，该方法还可以包括：

步骤108、在减薄的第一基片的背面形成引线开孔。

通过步骤108，可以便于在该引线开孔处进行打线和植球等工艺。

在本实施例中，如图1所示，该方法还可以包括：

步骤109、在第二基片的背面形成贯穿第二基片并与腔体连通的开孔。

通过步骤109，可以使腔体通过开孔与外界环境联通，从而形成差压型压力传感器。

下面，结合一个具体的实例来说明本申请的制造压力传感器的方法。

在下面的实例中，以第一基片是绝缘体上的硅(SOI)晶圆，第二基片是玻璃板为例进行说明，但是，本实施例并不限于此。

图2-图11是本申请实施例的一个实例中压力传感器的制造方法的各步骤对应的结构示意图。

1)如图2所示，在作为第一基片1的SOI晶圆的正面11形成集成电路111和压阻结构112，其中，该集成电路111可以采用标准的集成电路制造工艺来制造，该集成电路111中例如可以包括晶体管和引线等，该集成电路111可以与压阻结构112电连接，从而对压阻结构112中的信号进行处理和输出；通过注入形成压阻结构112的过程可以在集成电路111的制造过程中同时完成。

在图2中，第一基片1的正面11为SOI晶圆的顶层硅(top-silicon)101的表面。

在图2中，还形成第一绝缘层12以覆盖SOI晶圆的正面11，集成电路111和压阻结构112。第一绝缘层12和第一基片11构成层叠结构。

在本实施例中，该第一绝缘层12可以使用平坦化工艺完成，由此，第一绝缘层12的表面平坦，便于进行后续的键合工艺。

2)如图3所示，利用干法或湿法方式刻蚀第一绝缘层12的全部厚度，以形成第二凹陷部12a，其中，压阻结构112至少位于第二凹陷部12a的边缘。

3)如图4所示，对第二基片2的正面21进行刻蚀，以形成第一凹陷部21a，第一凹陷部21a的平面尺寸可略大于或小于第二凹陷部12a的平面尺寸，两者平面尺寸大小差异越大，代表着在对准工艺中的预度空间更大，此外，即使两者在对准时存在偏差也不影响会影响压力薄膜的特性。

4)如图5所示，将第二基片2的正面21通过第一绝缘层12与第一基片11的正面11键合，第一凹陷部21a和第二凹陷部12a连通，共同围合成腔体5。该键合可以在真空环境下进行。

5)如图6所示，采用研磨与刻蚀方式，将第一基片1背面减薄，例如，可以以SOI的埋层102为停止层，去除SOI的衬底硅(substrate)103，由此，SOI的顶层硅101位于腔体5上的部分可以作为压力传感器的压力薄膜101a。

6)如图7所示，在减薄的第一基片1的背面刻蚀形成引线开孔701，以利后续封装整合的打线或是植球需求。

根据图7所示，压力传感器具有：形成在第一基片薄膜(即，压力薄膜101a)正面的压阻结构112；形成在第二基片的正面的第一凹陷部21a；第一基片薄膜101a与第一凹陷部21a围合成的腔体5，其中，第一基片薄膜101a的正面与第二基片2的正面键合而连结。

在本实例的方法中，还可以具有图8，如图8所示，也可以在将第二基片2的背面22形成与腔体5连通的开孔801，从而形成差压式传感器。

此外，在图8中，在第二凹陷部12a的底部可以形成有第二绝缘层802，该第二绝缘层802可以是在图3的基础上在第二凹陷部12a底部的顶层硅101的表面沉积的绝缘层，或者，是在刻蚀第一绝缘层12以形成第二凹陷部12a的过程中在顶层硅101的表面保留的第一绝缘层。该第二绝缘层802能够保护顶层硅101的表面。

此外,在本实施例中，可以用图9替代图3，由此，形成至少两个第二凹陷部12a，该至少两个第二凹陷部12a可以具有不同的深度，例如，在各第二凹陷部12a中，各第二凹陷部12a底部的顶层硅101a1、101a2可以具有不同的厚度。

与图9对应地，可以在第二基片2正面形成与图9的至少两个第二凹陷部12a对应的至少两个第一凹陷部，从而在将第二基片2与第一基片1键合之后，形成图10所示的结构。由此，可以在一个第二基片上集成具有不同薄膜厚度的多个压力传感器结构，实现不同量程、不同灵敏度的集成。

此外，如图11所示，也可以在图10的基础上，进一步在第二基片2的背面22形成与腔体5连通的开孔801，从而形成差压式传感器。由此，可以在一个第二基片上集成差压式压力传感器和绝对压力传感器，实现不同种类压力传感器的集成。

在本申请实施例中，可以对图1所示的制造压力传感器的方法中的各步骤进行适当地整合，从而形成制造压力传感器的工艺流程。

图12是本申请实施例中制造压力传感器的工艺流程的一个示例。如图12所示，该工艺流程可以包括：

步骤1201、提供作为第一基片的SOI晶圆；

步骤1202、选择是否需要在第一基片中形成集成电路，“是”则进入步骤1203，“否”则进入步骤1204；

步骤1203、采用标准集成电路工艺，在第一基片中形成集成电路；

步骤1204、注入以形成压阻结构；

步骤1206、选择是否需要在同一第二衬底中整合不同量程的压力传感器，“是”则进入步骤1205，“否”则进入步骤1207；

步骤1207、在多个第二凹陷部中，形成两种以上厚度的顶层硅薄膜；

步骤1205、在第二凹陷部中，形成一种厚度的顶层硅薄膜；

步骤1208、选择是否所有压力传感器都是绝对压力传感器，“是”则进入步骤1209，“否”则进入步骤1212；

步骤1209、与设置有第一凹陷部的第二基片进行真空键合；

步骤1210、去除第一基片的SOI衬底硅；

步骤1211、设置引线开孔，并进行引线；

步骤1212、在差压式压力传感器的对应的位置形成覆盖顶层硅的第二绝缘层；

步骤1213、与步骤1209同样地，进行真空键合；

步骤1214、去除第一基片的SOI衬底硅，并且，在差压式压力传感器的对应的位置与腔体连通的开孔。

以上结合具体的实施方式对本申请进行了描述，但本领域技术人员应该清楚，这些描述都是示例性的，并不是对本申请保护范围的限制。本领域技术人员可以根据本申请的精神和原理对本申请做出各种变型和修改，这些变型和修改也在本申请的范围内。

Claims (5)

1.一种压力传感器的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括：

在第一基片的正面形成压阻结构和集成电路，所述集成电路包括引线，所述集成电路与所述压阻结构电连接；

形成覆盖所述压阻结构、所述集成电路和所述第一基片的正面的第一绝缘层，以形成包括所述第一绝缘层和所述第一基片的层叠结构；

在所述层叠结构中形成第二凹陷部，所述压阻结构至少位于所述第二凹陷部的边缘；

在第二基片的正面形成第一凹陷部；

所述第一绝缘层的正面与所述第二基片的正面键合，其中，所述第一基片与所述第一凹陷部围合成腔体；以及

从所述第一基片的背面减薄所述第一基片，

所述制造方法还包括：

在减薄的第一基片的背面形成引线开孔。

2.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，

所述第二凹陷部的数量为2个以上，且各第二凹陷部的深度彼此相同或不同。

3.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述制造方法还包括：

在所述第二基片的背面形成贯穿所述第二基片并与所述腔体连通的开孔。

4.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，

所述第一基片是绝缘体上的硅(SOI)晶圆，

所述第一基片的正面为所述绝缘体上的硅(SOI)晶圆的顶层硅(top-silicon)表面，

其中，从所述第一基片的背面减薄所述第一基片的步骤包括：

去除所述绝缘体上的硅(SOI)晶圆的衬底硅(substrate)。

5.一种压力传感器，其特征在于，所述压力传感器包括：

形成在第一基片薄膜正面的压阻结构和集成电路，所述集成电路包括引线，所述集成电路与所述压阻结构电连接；

覆盖所述压阻结构、所述集成电路和所述第一基片的正面的第一绝缘层，以形成包括所述第一绝缘层和所述第一基片的层叠结构；

在所述层叠结构中形成的第二凹陷部，所述压阻结构至少位于所述第二凹陷部的边缘；

形成在第二基片的正面的第一凹陷部；以及

所述第二凹陷部与所述第一凹陷部围合成的腔体，

其中，所述第一绝缘层的正面与所述第二基片的正面键合而连结，

所述第一基片薄膜的背面形成有引线开孔。

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